Characterization and validation of the Arlo cell line as an in vitro model of the air-blood barrier

Abstract

Tiermodelle werden in der Lungenforschung weiterhin häufig eingesetzt, obwohl ihre translationale Relevanz begrenzt ist und ethische Bedenken bestehen. Daher besteht ein wachsender Bedarf an physiologisch relevanten in vitro Modellen der humanen Lunge. Die komplexe Zellbiologie der Alveolen erschwert jedoch die Entwicklung repräsentativer Modelle, sodass bislang nur wenige Modelle existieren. In dieser Arbeit wurde die kürzlich etablierte humane alveoläre Epithelzelllinie Arlo charakterisiert. Vergleichende Analysen mit primären alveolären Epithelzellen und etablierten Zelllinien zeigten, dass Arlo eine ausgeprägte epitheliale Barriere mit hoher transepithelialer Resistenz, starkem transepithelialem Potentialunterschied und geringer Permeabilität bildet. Der hohe Potentialunterschied wird maßgeblich durch eine starke Aktivität des epithelialen Natriumkanals (ENaC) verursacht. Inhibitionsversuche zeigten Beiträge des Aktinskeletts und der Tight Junctions zur Barrierefunktion, während ultrastrukturelle und histologische Analysen auf einen AT2-ähnlichen Phänotyp hinweisen. Darauf basierend wurde ein in vitro Modell pulmonaler Ödeme etabliert, das veränderte Elektrophysiologie und beeinträchtigte Flüssigkeitsclearance abbildet und über ENaC pharmakologisch beeinflusst werden kann. Zudem wurde Arlo in Co-Kultur mit dTHP-1-Makrophagen-ähnlichen Zellen zur Untersuchung des ACOD1-Inhibitors Citra01 bei Lungenentzündung eingesetzt, wobei die Interaktion beider Zelltypen begrenzt erschien.

Animal models remain widely used in pulmonary research despite limited translational relevance and ethical concerns. Therefore, physiologically relevant human in vitro lung models are increasingly needed. However, the complexity of alveolar biology makes representative in vitro models challenging, and only a few relevant deep lung models exist. This thesis aimed to characterize the recently established human alveolar epithelial cell line Arlo. Comparative analyses with primary human alveolar epithelial cells (hAEpC) and established epithelial cell lines showed that Arlo forms a tight epithelial barrier with high transepithelial electrical resistance (TEER), pronounced transepithelial potential difference (PD), and low permeability. The high PD was driven by strong epithelial sodium channel (ENaC) activity. Inhibition experiments revealed additional contributions of the actin cytoskeleton and tight junctions to the barrier properties. Ultrastructural and histological analyses indicated features of an alveolar type II-like phenotype. These properties enabled the establishment of an in vitro pulmonary edema model reproducing altered electrophysiology and impaired fluid clearance that could be pharmacologically modulated using ENaC-targeting drugs. Arlo was also applied in co-culture with differentiated THP-1 macrophage-like cells to investigate the effects of the ACOD1 inhibitor Citra01 during pulmonary inflammation, although epithelial-macrophage crosstalk appeared limited.